Найти размерность гравитационной постоянной в си. Гравитационная постоянная – величина переменная
Qing Li et al. / Nature
Физики из Китая и России уменьшили погрешность гравитационной постоянной в четыре раза - до 11,6 частей на миллион, поставив две серии принципиально разных опытов и уменьшив до минимума систематические погрешности, искажающие результаты. Статья опубликована в Nature .
Впервые гравитационную постоянную G , входящую в закон всемирного тяготения Ньютона, измерил в 1798 году британский физик-экспериментатор Генри Кавендиш . Для этого ученый использовал крутильные весы, построенные священником Джоном Мичеллом . Простейшие крутильные весы, конструкция которых была придумана в 1777 году Шарлем Кулоном , состоят из вертикальной нити, на которой подвешено легкое коромысло с двумя грузами на концах. Если поднести к грузам два массивных тела, под действием силы притяжения коромысло начнет поворачиваться; измеряя угол поворота и связывая его с массой тел, упругими свойствами нити и размерами установки, можно вычислить значение гравитационной постоянной. Более подробно с механикой крутильных весов можно разобраться, решая соответствующую задачу .
Полученное Кавендишем значение для постоянной составило G = 6,754×10 −11 ньютонов на метр квадратный на килограмм, а относительная погрешность опыта не превышала одного процента.
Модель крутильных весов, с помощью которых Генри Кавендиш впервые измерил гравитационное притяжение между лабораторными телами
Science Museum / Science & Society Picture Library
С тех пор ученые поставили более двухсот экспериментов по измерению гравитационной постоянной, однако так и не смогли существенно улучшить их точность. В настоящее время значение постоянной, принятое Комитетом данных для науки и техники (CODATA) и рассчитанное по результатам 14 наиболее точных экспериментов последних 40 лет, составляет G = 6,67408(31)×10 −11 ньютонов на метр квадратный на килограмм (в скобках указана погрешность последних цифр мантиссы). Другими словами, ее относительная погрешность примерно равна 47 частей на миллион, что всего в сто раз меньше, чем погрешность опыта Кавендиша и на много порядков больше, чем погрешность остальных фундаментальных констант. Например, ошибка измерения постоянной Планка не превышает 13 частей на миллиард, постоянной Больцмана и элементарного заряда - 6 частей на миллиард, скорости света - 4 частей на миллиард. В то же время, физикам очень важно знать точное значение постоянной G , поскольку оно играет ключевую роль в космологии, астрофизике, геофизике и даже в физике частиц. Кроме того, высокая погрешность постоянной мешает переопределить значения других физических величин.
Скорее всего, низкая точность постоянной G связана со слабостью сил гравитационного притяжения, которые возникают в наземных экспериментах, - это мешает точно измерить силы и приводит к большим систематическим погрешностям , обусловленным конструкцией установок. В частности, заявленная погрешность некоторых экспериментов, использованных при расчете значения CODATA, не превышала 14 частей на миллион, однако различие между их результатами достигало 550 частей на миллион. В настоящее время не существует теории, которая могла бы объяснить такой большой разброс результатов. Скорее всего, дело в том, что в некоторых экспериментах ученые упускали из виду какие-то факторы, которые искажали значения постоянной. Поэтому все, что остается физикам-экспериментаторам - уменьшать систематические погрешности, минимизируя внешние воздействия, и повторять измерения на установках с принципиально разной конструкцией.
Именно такую работу провела группа ученых под руководством Цзюнь Ло (Jun luo) из Университета науки и технологий Центрального Китая при участии Вадима Милюкова из ГАИШ МГУ .
Для уменьшения погрешности исследователи повторяли опыты на нескольких установках с принципиально разной конструкцией и различными значениями параметров. На установках первого типа постоянная измерялась с помощью метода TOS (time-of-swing), в котором величина G определяется по частоте колебаний крутильных весов. Чтобы повысить точность, частота измеряется для двух различных конфигураций: в «ближней» конфигурации внешние массы находятся поблизости от равновесного положения весов (эта конфигурация представлена на рисунке), а в «дальней» - перпендикулярно равновесному положению. В результате частоты колебаний в «дальней» конфигурации оказывается немного меньше, чем в «ближней» конфигурации, и это позволяет уточнить значение G .
С другой стороны, установки второго типа полагались на метод AAF (angular-acceleration-feedback) - в этом методе коромысло крутильных весов и внешние массы вращаются независимо, а их угловое ускорение измеряется с помощью системы управления с обратной связью, которая поддерживает нить незакрученной. Это позволяет избавиться от систематических ошибок, связанных с неоднородностью нити и неопределенностью ее упругих свойств.
Схема экспериментальных установок по измерению гравитационной постоянной: метод TOS (a) и AAF (b)
Qing Li et al. / Nature
Фотографии экспериментальных установок по измерению гравитационной постоянной: метод TOS (a–c) и AAF (d–f)
Qing Li et al. / Nature
Кроме того, физики постарались до минимума сократить возможные систематические ошибки. Во-первых, они проверили, что гравитирующие тела, участвующие в опытах, действительно однородны и близки к сферической форме - построили пространственное распределение плотности тел с помощью сканирующего электронного микроскопа , а также измерили расстояние между геометрическим центром и центром масс двумя независимыми методами. В результате ученые убедились, что колебания плотности не превышают 0,5 части на миллион, а эксцентриситет - одной части на миллион. Кроме того, исследователи поворачивали сферы на случайный угол перед каждым из опытов, чтобы скомпенсировать их неидеальности.
Во-вторых, физики учли, что магнитный демпфер , который используется для подавлений нулевых мод колебаний нити, может вносить вклад в измерение постоянной G , а затем изменили его конструкцию таким образом, чтобы этот вклад не превышал нескольких частей на миллион.
В-третьих, ученые покрыли поверхность масс тонким слоем золотой фольги, чтобы избавиться от электростатических эффектов, и пересчитали момент инерции крутильных весов с учетом фольги. Отслеживая электростатические потенциалы частей установки в ходе опыта, физики подтвердили, что электрические заряды не влияют на результаты измерений.
В-четвертых, исследователи учли, что в методе AAF кручение происходит в воздухе, и скорректировали движение коромысла с учетом сопротивления воздуха. В методе TOS все части установки находились в вакуумной камере, поэтому подобные эффекты можно было не учитывать.
В-пятых, экспериментаторы поддерживали температуру установки постоянной в течение опыта (колебания не превышали 0,1 градуса Цельсия), а также непрерывно измеряли температуру нити и корректировали данные с учетом едва заметных изменений ее упругих свойств.
Наконец, ученые учли, что металлическое покрытие сфер позволяет им взаимодействовать с магнитным полем Земли, и оценили величину этого эффекта. В ходе эксперимента ученые каждую секунду считывали все данные, включая угол поворота нити, температуру, колебания плотности воздуха и сейсмические возмущения, а затем строили полную картину и рассчитывали на ее основании значение постоянной G .
Каждый из опытов ученые повторяли много раз и усредняли результаты, а затем изменяли параметры установки и начинали цикл сначала. В частности, опыты с использованием метода TOS исследователи провели для четырех кварцевых нитей различного диаметра, а в трех экспериментах со схемой AAF ученые изменяли частоту модулирующего сигнала. На проверку каждого из значений физикам понадобилось около года, а суммарно эксперимент продлился более трех лет.
(a) Зависимость от времени периода колебаний крутильных весов в методе TOS; сиреневые точки отвечают «ближней» конфигурации, синие - «дальней». (b) Усредненные значения гравитационной постоянной для различных установок TOS
В теории тяготения Ньютона, так и в теории относительности Эйнштейна гравитационная постоянная (G ) является универсальной константой природы, неизменяющаяся в пространстве и времени, независящая от физических и химических свойств среды и гравитирующих масс.
В первоначальном виде в формуле Ньютона коэффициент G отсутствовал. Как указывает источник : «Гравитационная постоянная впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер. Возможно, впервые это было сделано французским физиком С.Д. Пуассоном в «Трактате по механике» (1809), по крайней мере, никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная историками не выявлено».
Введение коэффициента G было вызвано двумя причинами: необходимостью установить правильную размерность и согласовать силы гравитации с реальными данными. Но присутствие данного коэффициента в законе всемирного тяготения по-прежнему не проливало свет на физику процесса взаимного притяжения, за что и критиковали Ньютона его современники.
Ньютона обвиняли по одной серьезной причине: если тела притягиваются между собой, то они должны тратить на это энергию, но из теории не видно, откуда энергия берется, как она расходуется и из каких источников пополняется. Как отмечают некоторые исследователи: открытие данного закона произошло после введенного Декартом принципа сохранения количества движения, но из теории Ньютона следовало, что притяжение есть свойство, внутренне присущее взаимодействующим массам тел, которые расходуют энергию без пополнения и меньше ее не становится! Это какой-то неисчерпаемый источник гравитационной энергии!
Лейбниц называл принцип тяготения Ньютона «невещественной и необъяснимой силой». Предположение о силе притяжения в совершенной пустоте было охарактеризовано Бернулли, как «возмутительное»; и принцип «actio in distans» (действия на расстоянии) не встретил тогда особой благосклонности нежели сейчас.
Наверное, не на пустом месте физики в штыки встретили формулу Ньютона, в ней действительно не отражена энергия для гравитационного взаимодействия. Почему на разных планетах разное притяжение, причем G для всех тел на Земле и в Космосе постоянная? Может G зависит от массы тел, но в чистом виде масса не обладает никакой гравитацией.
Учитывая тот факт, что в каждом конкретном случае взаимодействие (притяжение) тел происходит с разной силой (усилием), то эта сила должна зависеть от энергии гравитирующих масс. В связи с изложенным, в формуле Ньютона должен присутствовать энергетический коэффициент, отвечающий за энергию притягивающихся масс. Более правильным утверждением в гравитационном притяжении тел следовало бы говорить не о взаимодействии масс, а взаимодействии энергий, заключенных в этих массах. То есть энергия, имеет материальный носитель, без которого она не может существовать.
Поскольку, энергонасыщенность тел связана с их теплотой, (температурой), то коэффициент должен отражать это соответствие, т.к. теплота порождает гравитацию !
Еще один аргумент по поводу не постоянства G. Приведу цитату из ретро учебника по физике: «Вообще соотношение Е=mc 2 показывает, что масса любого тела пропорциональна его полной энергии. Поэтому всякое изменение энергии тела сопровождается одновременным изменением его массы. Так, например, если какое-либо тело нагревается, то его масса увеличивается» .
Если масса двух нагретых тел увеличивается, то в соответствии с законом всемирного тяготения , и сила их взаимного притяжения тоже должна увеличиваться. Но здесь возникает серьезная проблема. При повышении температуры, стремящейся к бесконечности, массы и сила между гравитирующими телами также будут стремиться к бесконечности. Если мы будем утверждать, что температура бесконечна, а сейчас иногда такие вольности допускаются, то гравитация между двумя телами тоже будет бесконечна, в результате тела при нагревании должны сжиматься, а не расширяться! Но природа, как видите, до абсурда не доходит!
Как обойти эту трудность? Тривиально – необходимо найти максимальную температуру вещества в природе. Вопрос: как ее найти?
Температура конечна
Полагаю, то огромное количество лабораторных измерений гравитационной постоянной, проводились и проводятся при комнатной температуре, равной: Θ=293 К (20 0 С) или близкой к этой температуре, т.к. сам инструмент – крутильные весы Кавендиша, требует очень тонкого с ним обращения (рис.2). При измерениях должны быть исключены всякие помехи, особенно вибрация и температурные изменения. Измерения должны проводиться в вакууме с высокой точностью, этого требует очень малая величина измеряемой величины.
Для того чтобы «Закон всемирного тяготения» был универсальным и всемирным, необходимо связать его с термодинамической шкалой температур. Сделать это нам помогут расчеты и графики, которые представлены ниже.
Возьмем декартову систему координат ОХ – ОУ. В этих координатах построим начальную функцию G=ƒ(Θ ).
На оси абсцисс отложим температуру, начиная от нуля градусов Кельвина. На оси ординат отложим значения коэффициента G, учитывая, что его значения должны укладываться в интервале от нуля до единицы.
Отметим первую реперную точку (А), эта точка с координатами: х=293,15 К (20⁰С); у=6,67408·10 -11 Нм 2 /кг 2 (G). Соединим эту точку с началом координат и получим график зависимости G=ƒ(Θ ), (рис. 3)
Рис. 3
Экстраполируем данный график, продлим прямую до пересечения со значением ординаты, равной единице, у=1. При построении графика возникли технические трудности. Для того чтобы построить начальную часть графика потребовалось сильно увеличить масштаб, т. к. параметр G имеет очень малую величину. График имеет малый угол подъема, поэтому, чтобы уложить его на один лист, прибегнем к логарифмической шкале оси х (рис.4 ).
Рис. 4
А теперь, внимание!
Пересечение функции графика с ординатой G=1 , дает вторую реперную точку (В). Из этой точки опустим перпендикуляр на ось абсцисс, на которой получим значение координаты х=4,39·10 12 К .
Что это за величина и что она означает? По условию построения – это температура. Проекция точки (В) на ось «х» отражает – максимальную возможную температуру вещества в природе!
Для удобства восприятия представим этот же график в двойных логарифмических координатах (рис.5 ).
Коэффициент G не может иметь значения больше единицы по определению. Данная точка замкнула абсолютную термодинамическую шкалу температуры, начало которой было положено лордом Кельвином в 1848 году.
Из графика видно, что коэффициент G пропорционален температуре тела. Поэтому, постоянная гравитации – есть величина переменная, и в законе всемирного тяготения (1) должна определяться отношением:
G E – универсальный коэффициент (Universal coefficient UC), чтобы не путать с G, запишем его с индексом E (Еergy – энергия). Если температуры взаимодействующих тел разные, то берется их среднее значение.
Θ 1 – температура первого тела
Θ 2 – температура второго тела.
Θ max – максимально возможная температура вещества в природе.
В таком написании коэффициент G E не имеет размерности, что и утверждает его как коэффициент пропорциональности и универсальности.
Подставим G E в выражение (1) и запишем закон всемирного тяготения в общем виде:
Только благодаря энергии, заключенной массах происходит их взаимное притяжение. Энергия – это свойство материального мира совершать работу.
Только благодаря потере энергии на притяжение, осуществляется взаимодействие между космическими телами. Потерю энергии можно отождествить с охлаждением.
Всякое тело (вещество) охлаждаясь, теряет энергию и за счет этого, как ни странно, притягивается к другим телам. Физическая природа тяготения тел заключается в стремлении к наиболее устойчивому состоянию с наименьшей внутренней энергией – это естественное состояние природы.
Формула Ньютона (4) приняла системный вид. Это весьма важно для расчетов космических полетов искусственных спутников и межпланетных станций, а также позволит более точно вычислить, прежде всего, массу Солнца. Произведение G на M известно для тех планет, движение спутников вокруг которых измерялось с высокой точностью. Из движения самих планет вокруг Солнца можно вычислить G и массу Солнца. Погрешности масс Земли и Солнца определяются погрешностью G .
Новый коэффициент позволит, наконец, понять и объяснить, почему траектории орбит первых спутников (пионеров) так далеко не соответствовали расчетным. При запуске спутников не учитывалась температура вылетающих газов. Расчеты показывали меньшую тягу ракеты, а спутники поднимались на более высокую орбиту, например, орбита Explorer-1 оказалась выше расчетной на 360 км. Фон Браун ушел из жизни, так и не поняв этот феномен.
До сего времени постоянная гравитации не имела физического смысла, это был всего лишь вспомогательный коэффициент в законе всемирного тяготения, служащий для связки размерностей. Существующее числовое значение этой константы превращало закон не во всемирный, а в частный, для одного значения температуры!
Гравитационная постоянная – величина переменная. Скажу больше, гравитационная постоянная даже в пределах земного тяготения величина не постоянная, т.к. в гравитационном притяжении участвуют не массы тел, а энергии, заключенные в измеряемых телах. Вот по этой причине не удается достичь высокой точности измерений гравитационной постоянной.
Закон Всемирного Тяготения
Закон Всемирного Тяготения Ньютона и универсальный коэффициент (G E =UC).
Поскольку данный коэффициент безразмерен, формула всемирного тяготения получила размерность dim кг 2 /м 2 – это внесистемная единица, которая возникла вследствие использования масс тел. С размерностью мы пришли к первоначальному виду формулы, которая была обусловлена еще Ньютоном.
Поскольку формула (4) отождествляет силу притяжения, которая в системе СИ измеряется в Ньютонах, то можно воспользоваться размерным коэффициентом (К), как в законе Кулона.
Где К – коэффициент, равный 1. Чтобы привести размерность в СИ, можно использовать ту же размерность, что G , т.е. К= m 3 kg -1 s -2 .
Эксперименты свидетельствуют: тяготение порождается не массой (веществом), тяготение осуществляется с помощью энергий, заключенных в этих массах! Ускорение тел в гравитационном поле не зависят от их массы, поэтому все тела падают на землю с одинаковым ускорением. С одной стороны, ускорение тел пропорционально действующей на них силе и, следовательно, пропорционально их гравитационной массе. Тогда по логике рассуждений формула закона всемирного тяготения должна выглядеть следующим образом:
Где Е 1 и Е 2 – энергия, заключенная в массах взаимодействующих тел.
Поскольку в расчетах весьма трудно определить энергию тел, то оставим в формуле Ньютона (4) массы, с заменой постоянной G на энергетический коэффициент G E .
Максимальную температуру более точно можно вычислить математически из соотношения:
Запишем данное соотношение в числовом виде, учитывая, что (G max =1):
Отсюда: Θ max =4,392365689353438·10 12 К (8)
Θ max –это максимально возможная температура вещества в природе, выше которой, значение невозможно!
Сразу хочу отметить, что это далеко не абстрактная цифра, она говорит о том, что в физической природе все конечно! Физика описывает мир исходя из основополагающих представлений о конечной делимости, конечной скорости света, соответственно, и температура должна быть конечна!
Θ max 4,4 триллиона градусов (4.4 тераКельвинов). Трудно представить, по нашим земным меркам (ощущениям) такую высокую температуру, но ее конечное значение ставит запрет на спекуляции с ее бесконечностью. Такое утверждение приводит нас к заключению, что гравитация также не может быть бесконечной, соотношение G E =Θ/Θ max – все ставит на свои места.
Другое дело, если числитель (3) будет равен нулю (абсолютному нулю) термодинамической шкалы температур, тогда сила F в формуле (5) будет равна нулю. Притяжение между телами должно прекратиться, тела и предметы начнут рассыпаться на составляющие их частицы, молекулы и атомы.
Продолжение в следующей статье...
Все попытки экспериментаторов по уменьшению погрешности измерений гравитационной постоянной Земли до сего времени сводились к нулю. Как было отмечено ранее, со времен Кавендиша точность измерения этой постоянной практически не увеличилась. За два с лишним столетия точность измерения не сдвинулась с места. Такую ситуацию можно назвать по аналогии с «ультрафиолетовой катастрофой» как «катастрофа гравитационной постоянной». Из ультрафиолетовой катастрофы выбрались с помощью квантов, а как выйти из катастрофы с гравитационной постоянной?
Из крутильных весов Кавендиша уже ничего не выжмешь, поэтому выход можно найти, воспользовавшись усредненным значением ускорения свободного падения и вычислить G из известной формулы:
Где, g – ускорение свободного падения (g=9,78 м/с 2 – на экваторе; g=9,832 м/с 2 – на полюсах).
R – радиус Земли, м,
M – масса Земли, кг.
Стандартное значение ускорения свободного падения, принятое при построении систем единиц, равно: g=9,80665 . Отсюда усредненное значение G будет равно:
В соответствии с полученным G , уточним температуру из пропорции:
6,68·10 -11 ~х=1~4,392365689353438·10 12
Данная температура соответствует по шкале Цельсия 20,4 o .
Такой компромисс, я думаю, вполне мог бы удовлетворить две стороны: экспериментальную физику и комитет (КОДАТА), чтобы периодически не пересматривать и не изменять значение гравитационной постоянной для Земли.
Можно «законодательно» утвердить нынешнее значение гравитационной постоянной для Земли G=6,67408·10 -11 Нм 2 /кг 2 , но скорректировать стандартное значение g=9,80665, несколько уменьшив его значение.
Кроме того, если использовать среднюю температуру Земли, равную 14 o С, то гравитационная постоянная будет равна G=6,53748·10 -11 .
Итак, у нас имеются три значения, претендующих на пьедестал гравитационной постоянной G для планеты Земля: 1) 6,67408·10 -11 м³/(кг·с²) ; 2) 6,68·10 -11 м³/(кг·с²) ; 3) 6,53748·10 -11 м³/(кг·с²) .
Комитету КОДАТА остается вынести окончательный вердикт, какую из них утвердить как гравитационную постоянную Земли.
Мне могут возразить, если гравитационная постоянная зависит от температуры взаимодействующих тел, то силы притяжения днем и ночью, зимой и летом должны отличаться. Да, именно так и должно быть, с малыми телами. Но Земля огромный, быстро вращающийся шар, имеет громадный запас энергии. Отсюда, интегральное количество крафонов зимой и летом, днем и ночью, вылетающих из Земли, одинаково. Поэтому, ускорение свободного падения на одной широте остается всегда постоянным.
Если переместиться на Луну, где разность температур дневного и ночного полушарий сильно разнятся, то гравиметры должны зафиксировать разницу силы притяжения.
Related Posts
11 комментариев
Только один вопрос к Вам:
Или у Вас в постранстве энергия не в сфере распространяется?
И если Вы уж решили перейти к температуре, то в точках центров масс, правильней конечно же изпускающих энергию, она же неизвестна (экспериментально же она никак не может быть подтверждена), соответственно, её ешё вычислить необходимо.
Ну и самого осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел у Вас и в помине нет, какие то «красные фотоны (крафоны) прилетели в тело, принесли энергию, это понимаемо, но не даёт ответа на вопрос: «почему при этом оно должно начать двигаться (перемещаться) именно в ту сторону, с которой они прибыли, а не в противотоложную ей, то есть согласно приложенной силе (приданному от этих ваших крафонов импульсу энергии)?»
Только один вопрос к Вам:
Если Вы уже начали говорить об энергии, то почему напрочь забыли о 4Пи перед R^2?!
Или у Вас в постранстве энергия не в сфере распространяется?
И если Вы уж решили перейти к температуре, то в точках центров масс, правильней конечно же изпускающих энергию, она же неизвестна (экспериментально же она никак не может быть подтверждена), соответственно, её ешё вычислить необходимо.
Ну и самого осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел у Вас и в помине нет, какие то «красные фотоны (крафоны) прилетели в тело, принесли энергию, это понимаемо, но не даёт ответа на вопрос: «почему при этом оно должно начать двигаться (перемещаться) именно в ту сторону, с которой они прибыли, а не в противотоложную ей, то есть согласно приложенной силе (приданному от этих ваших крафонов импульсу энергии)?»
________________________________________________________
Вместо одного заявленного вопроса оказалось три, но суть не в этом.
1. Касаемо 4π. В формулах (9) и (10) R2 – это расстояние от тела (предмета) до центра Земли. Откуда здесь должна появиться 4π – не понятно.
2. Что касается максимальной температура вещества в природе. Вы, очевидно, поленились открыть ссылку в конце статьи: «Гравитационная постоянная величина – переменная».
3. Теперь относительно «осмысленного описания процесса гравитационного взаимодействия тел». Все осмыслено и описано. Относительно, в какую сторону летят эти самые крафоны, читаем статьи: « ». Солнечные фотоны стартуют с поверхности Светила без отдачи, с приобретением импульсов придачи. Фотон, в противовес материальному миру, не имеет инерции – его импульс возникает в момент отрыва от источника без отдачи!
Явление отдачи наблюдается только в телах, когда под действием внутренних сил оно распадается на части, разлетающееся в противоположные стороны. Фотон не распадается на части, он не расстается со своим приобретенным импульсом до своего поглощения, поэтому для него выражение (3) будет справедливо.
« » , и ч.2 .
Цитата из 2-й части: «Крафоны из элементарного шарика вылетают спонтанно, по разным направлениям по нормали его поверхности. Притом, направлены они, в основном, в атмосферу, т.е. в более разреженный электромагнитный эфир (ЭМЭ) по сравнению с ЭМЭ вод Мирового океана. В принципе та же картина наблюдается и на материках».
Уважаемые читатели, на тему: как возникает гравитация, и кто является ее переносчиком, читайте всю главу под названием: «Гравитация». Конечно, можно и выборочно, для этого кликайте по кнопке «Карта сайта» верхнего меню, расположенного над шапкой сайта.
Добавление к предыдущему комментарию.
12окт.2016г. На страницах электронного научно-практического журнала «Современные научные исследования и инновации» опубликована моя статья под названием: «Фотонно-квантовая гравитация». В статье изложена суть гравитации. Прочесть по ссылке:
P.S. Алексей Вы правы, в данном журнале указанной статьи нет. Читай ниже мой комментарий.
Что-то нет Вашей статьи в октябрьском номере «Современные научные исследования и инновации» ((
«Что-то нет Вашей статьи в октябрьском номере «Современные научные исследования и инновации» ((»
Статья: ГРАВИТАЦИЯ ЗЕМЛИ ФОТОННО-КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ переехала в другой журнал: «Scientific-Researches» №5(5), 2016, с. 79
http://tsh-journal.com/wp-content/uploads/2016/11/VOL-1-No-5-5-2016.pdf
05.01.2017. Не затруднит ли Вас подробнее показать Ваши вычисления массы и радиуса Земли используемые в проверочной формуле G (9) для Земли. Не опасаетесь ли Вы некоей физической тавтологии используя эти величины ВЫЧИСЛЕННЫЕ с теми же константами? Микула
«Не затруднит ли Вас подробнее показать Ваши вычисления массы и радиуса Земли используемые в проверочной формуле G (9) для Земли. Не опасаетесь ли Вы некоей физической тавтологии используя эти величины ВЫЧИСЛЕННЫЕ с теми же константами? Микула»
———————————
Да уж куда подробнее. В формуле 9 вычислены два крайние значения G для ускорения свободного падения (g=9,78 м/с2 – на экваторе; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значения ускорения свободного падения выполнено в 10. Что касается массы и радиуса Земли, то они практически не изменятся. В чем тавтология, я не вижу.
Да уж куда подробнее. В формуле 9 вычислены два крайние значения G для ускорения свободного падения (g=9,78 м/с2 – на экваторе; g=9,832 м/с2 – на полюсах). Для стандартного значения ускорения свободного падения выполнено в 10. Что касается массы и радиуса Земли, то они практически не изменятся. В чем тавтология, я не вижу.
«Все тела, обладающие массой, возбуждают в окружающем пространстве гравитационные поля, подобно тому, как электрически заряженные частицы образуют вокруг себя электростатическое поле. Можно предположить, что тела несут в себе гравитационный заряд, аналогичный электрическому, или, по-другому, обладают гравитационной массой. С высокой точностью было установлено, что инертная и гравитационная массы совпадают.
2
Пусть имеется два точечных тела массами m1 и m2. Они удалены друг от друга на расстояние r. Тогда сила гравитационного притяжения между ними равна: F=C·m1·m2/r², где С – коэффициент, который зависит лишь от выбранных единиц измерения.
3
Если на поверхности Земли имеется небольшое тело, его размерами и массой можно пренебречь, т.к. габариты Земли намного превосходят их. При определении расстояния между планетой и поверхностным телом рассматривается только радиус Земли, т.к. высота расположения тела пренебрежимо мала в сравнении с ним. Получается, что Земля притягивает тело с силой F=M/R², где M – масса Земли, R – ее радиус.
4
Согласно закону всемирного тяготения, ускорение тел при действии силы тяжести на поверхности Земли равно: g=G M/ R². Здесь G – гравитационная постоянная, численно равная примерно 6,6742 10^(−11).
5
Ускорение свободного падения g и радиус земли R находятся из непосредственных измерений. Константа G с большой точностью определена в опытах Кэвендиша и Йолли. Итак, масса Земли M=5,976 10^27 г ≈ 6 10^27 г.
фТавтология, на мой взгляд, разумеется ошибочный, заключается в том, что при вычислении массы Земли используется все тот же коэффициент G Кавендиша Йолли под названием гравитационная постоянная, которая совсем даже не постоянная, в чем я с Вами абсолютно согласен. Поэтому Ваш посыл «Из крутильных весов Кавендиша уже ничего не выжмешь, поэтому выход можно найти, воспользовавшись усредненным значением ускорения свободного падения и вычислить G из известной формулы:» не совсем корректен. Ваш расчет константы G уже использован в расчете массы Земли. Ни в коей мере не хочу Вас укорить, просто очень хочу разобраться с этой гравитационной постоянной, которой в законе Роберта Гука присвоенного Ньютоном совсем даже не было. С глубоким уважением Микула.
Уважаемый, Микула, Ваше желание понять и разобраться с гравитационной постоянной похвально. Учитывая, что понять данную константу желали многие ученые, но не многим удалось это сделать.
«Константа G с большой точностью определена в опытах Кавендиша и Йолли».
Нет! С не большой! Иначе, зачем бы наука тратила средства и время для ее регулярной перепроверки и уточнения, т.е. усреднения результатов, чем и занимается КОДАТА. А нужна она как раз для того чтобы «взвесить Землю» и узнать ее плотность, чем и прославился Кавендиш. Но как видите, G гуляет от одного опыта к другому. Тоже самое и с ускорением свободного падения.
Гравитационная постоянная – это коэффициент для одного значения температуры, а температура, что дышло.
Что предлагаю я? Для планеты Земля раз и навсегда установить одно значение G и сделать ее действительно постоянной c учетом g.
Не поленитесь, прочтите все статьи в рубрике G (гравитационная постоянная), думаю, у Вас многое прояснится. Начните сначала:
Путь Наш во мраке… И стукаемся Мы лбами не только об осклизлые стены подземелья в поисках проблесков к выходу, но и об лбы таких же несчастных, матерясь и проклиная… хромые, безрукие, слепые нищие … И не слышим друг друга. Протягиваем руку и получаем в неё плевок… и потому бесконечен Наш путь… И тем не менее… вот моя рука. Это моя версия понимания природы гравитации… и «сильного взаимодействия».
Мезенцев Николай Фёдорович.
Ваша рука, к сожалению, мне никак не помогла, а собственно зачем.
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. .
Ваш комментарий на модерации.
(Gravitational constant – size not a constant)
Часть 1
Рис.1
В физике имеется только одна константа, связанная с гравитацией – это гравитационная постоянная (G). Эта постоянная получена экспериментально и не имеет связи с другими постоянными. В физике она считается фундаментальной.
Данной константе будет посвящено несколько статей, где я постараюсь показать несостоятельность ее постоянства и отсутствие фундамента под ней. Точнее сказать фундамент под ней есть, но несколько иной.
Каково значение постоянной гравитации и почему ее так тщательно измеряют? Чтобы разобраться, необходимо снова вернуться к закону всемирного тяготения. Почему физики приняли этот закон, мало того, они стали называть его «величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом» . Его формулировка проста: два тела действуют друг на друга с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их масс.
G – гравитационная постоянная
Из этой простой формулы следует множество весьма нетривиальных выводов, но нет ответа на основополагающие вопросы: каким образом и за счет чего действует сила тяготения?
Этот закон ничего не говорит о механизме возникновения силы притяжения, тем не менее, им пользуются до сих пор и будут, очевидно, пользоваться еще не одно столетие.
Одни ученые его охаивают, другие боготворят. И те и другие без него не обходятся, т.к. лучше ничего не придумали и не открыли. Практики, при освоении Космоса, зная несовершенство данного закона, используют поправочные таблицы, которые пополняются новыми данными после каждого запуска космических аппаратов.
Теоретики пытаются исправить данный закон путем ввода поправок, дополнительных коэффициентов, ищут доказательство факта существования ошибки в размерности гравитационной константы G, но ничего не приживается, а формула Ньютона остается в первоначальном виде.
Учитывая то многообразие неоднозначностей, неточностей при расчетах по данной формуле, ее все же нужно исправлять.
Широко известно выражение Ньютона: «Gravity is Universal», т. е. тяготение всемирно. Данный закон описывает гравитационное взаимодействие между двумя телами, где бы они не находились во Вселенной; в этом считается суть его универсализма. Гравитационная постоянная G, входящая в уравнение, рассматривается как универсальная константа природы.
Константа G позволяет проводить удовлетворительные расчеты в земных условиях, по логике, она и должна отвечать за энергетическое взаимодействие, но что взять с константы.
Интересно мнение ученого (Костюшко В.Е), который ставил реальные опыты для понимания и раскрытия законов природы, фраза: «У природы нет ни физических законов, ни физических констант с придуманными человеком размерностями». «В случае с гравитационной константой в науке утвердилось мнение, что эта величина найдена и численно оценена. Однако до сих пор не установлен ее конкретный физический смысл и это, прежде всего, потому, что на самом деле, в результате некорректных действий, а точнее грубейших ошибок, была получена ничего не значащая и совершенно бессмысленная величина с абсурдной размерностью» .
Я бы не хотел ставить себя в позу такой категоричности, но нужно, наконец, понять смысл этой постоянной.
В настоящее время значение гравитационной постоянной утверждено комитетом по фундаментальным физическим константам: G=6,67408·10 -11 м³/(кг·с²) [КОДАТА 2014] . Несмотря на то, что данную константу тщательно измеряют, она не удовлетворяет требованиям науки. Все дело в том, что нет точной стыковки результатов между аналогичными измерениями, проводимыми в разных лабораториях мира.
Как отмечают Мельников и Пронин: «Исторически гравитация стала первой предметом научных исследований. Хотя прошло уже более 300 лет с момента появления закона тяготения, которым мы обязаны Ньютону, константа гравитационного взаимодействия остается наименее точно измеренной, по сравнению с остальными» .
Кроме того, остается открытым главный вопрос о самой природе гравитации и ее сущности. Как известно, сам закон всемирного тяготения Ньютона, проверен гораздо с большей точностью, чем точность константы G. Основное ограничение на точное определение гравитационных сил накладывает гравитационная константа, отсюда к ней такое пристальное внимание.
Одно дело уделять внимание, и совсем другое – точность совпадения результатов при измерении G. В двух самых точных измерениях ошибка может достигать порядка 1/10000. Но когда измерения проводились в разных точках планеты, то значения могли превышать экспериментальную ошибку на порядок и более!
Что же это за постоянная, когда такой огромный разброс показаний при ее измерениях? А может это совсем не постоянная, а измерение каких-то отвлеченных параметров. Или на измерения накладываются помехи, неизвестные исследователям? Вот здесь появляется новая почва для различных гипотез. Одни ученые ссылаются на магнитное поле Земли: «Взаимовлияние гравитационного и магнитного полей Земли приводит к тому, что земное тяготение будет сильнее в тех местах, где сильнее магнитное поле» . Последователи Дирака утверждают, что гравитационная постоянная изменяется с течением времени и т.д.
Одни вопросы снимают из-за недоказанности, а другие появляются и это закономерный процесс. Но такое безобразие не может продолжаться бесконечно, надеюсь, мое исследование поможет установить направление к истине.
Первым, кому приписывают первенство эксперимента в измерении постоянной гравитации, был английский химик Генри Кавендиш, который в 1798 году задался целью определить плотность Земли. Для такого тонкого эксперимента им были использованы крутильные весы, изобретенные Дж. Мичеллом (сейчас являются экспонатом в национальном музее Великобритании). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы в поле тяготения Земли.
Экспериментальные данные, как оказалось впоследствии, пригодились для определения G. Полученный Кавендишем результат – феноменальный, отличался всего на 1% от принятого сегодня. Надо отметить какое это было великое достижение в его эпоху. За два с лишним века наука эксперимента продвинулась всего на 1%? Это невероятно, но факт. Притом, если учесть флуктуации и невозможность их преодолеть, значение G присваивается искусственно, то получается, что мы вообще не продвинулись в точности измерений со времен Кавендиша!
Да! Никуда мы не продвинулись, наука находится в прострации – не понимая гравитации!
Почему наука за три с лишним столетия практически не продвинулось в точности измерения данной константы? Может все дело в инструменте, использованном Кавендишем. Крутильные весы – изобретение 16 века, остались на вооружении ученых и по сей день. Конечно это уже не те крутильные весы, посмотрите на фотографию, рис. 1. Несмотря на навороты современной механики и электроники, плюс вакуум, стабилизация температуры, результат практически не сдвинулся с места. Очевидно, что-то здесь не так.
Наши предки и современники предпринимали различные попытки измерений G в разных географических широтах и в самых невероятных местах: глубоких шахтах, ледяных пещерах, скважинах, на телебашнях. Были усовершенствованы конструкции крутильных весов. Новые измерения, с целью уточнения гравитационной постоянной, повторялись и поверялись. Ключевой эксперимент был поставлен в Лос-Аламосе в 1982-м году Г. Лютером (G. Luther) и У. Таулером (W. Towler). Их установка напоминала крутильные весы Кавендиша, с шарами из вольфрама. Результат этих измерений 6,6726(50)?10 -11 m 3 kg -1 s -2 (т.е. 6,6726±0,0005), был положен в основу, рекомендованных комитетом данных для науки и техники (CODATA) значений в 1986-м году .
Всё было спокойно до 1995 года, когда группа физиков в немецкой лаборатории PTB в Брауншвейге, используя модифицированную установку (весы плавали на поверхности ртути, с шарами большой массы), получили значение G на (0.6±0,008)% больше общепринятых . В результате в 1998 году погрешность измерения G была увеличена почти на порядок.
В настоящее время активно обсуждаются эксперименты по проверке закона всемирного тяготения, основанные на атомной интерферометрии, для измерения микроскопических пробных масс и очередного тестирования ньютоновского закона тяготения в микромире.
Предпринимались попытки применения других способов измерения G, но корреляция между измерениями практически не меняется. Этот феномен сегодня называют нарушением закона обратных квадратов либо «пятой силой». К пятой силе сейчас относят и некие частицы (поля) Хиггса – частицы Бога.
Кажется, божественную частицу удалось зафиксировать, а точнее сказать, вычислить, так сенсационно преподнесли Миру весть физики, участвовавшие в эксперименте на Большом адронном коллайдере (БАК) (LHC) .
На бозон Хиггса надейся, но сам не плошай!
Так что же это за таинственная постоянная, которая гуляет сама по себе, а без нее никуда?
Читаем продолжение статьи
Эксперименты по измерению гравитационной постоянной G, проведенные в последние годы несколькими группами, демонстрируют поразительное несовпадение друг с другом. Опубликованное на днях новое измерение, выполненное в Международном бюро мер и весов, отличается от всех них и только усугубляет проблему. Гравитационная постоянная остается на редкость неподатливой для точного измерения величиной.
Измерения гравитационной постоянной
Гравитационная постоянная G, она же постоянная Ньютона, - одна из самых важных фундаментальных констант природы. Это та константа, которая входит в закон всемирного тяготения Ньютона; она не зависит ни от свойств притягивающихся тел, ни от окружающих условий, а характеризует интенсивность самой силы гравитации. Естественно, что такая фундаментальная характеристика нашего мира важна для физики, и она должна быть аккуратно измерена.
Однако ситуация с измерением G до сих пор остается очень необычной. В отличие от многих других фундаментальных констант, гравитационная постоянная с большим трудом поддается измерению. Дело в том, что аккуратный результат можно получить только в лабораторных экспериментах, через измерение силы притяжения двух тел известной массы. Например, в классическом опыте Генри Кавендиша (рис. 2) на тонкой нити подвешивается гантелька из двух тяжелых шаров, и когда сбоку к этим шарам пододвигают другое массивное тело, то сила гравитации стремится повернуть эту гантельку на некоторый угол, пока вращательный момент сил слегка закрученной нити не скомпенсирует гравитацию. Измеряя угол поворота гантельки и зная упругие свойства нити, можно вычислить силу гравитации, а значит, и гравитационную постоянную.
Это устройство (оно называется «крутильные весы») в разных модификациях используется и в современных экспериментах. Такое измерение очень просто по сути, но трудно по исполнению, поскольку оно требует точного знания не только всех масс и всех расстояний, но и упругих свойств нити, а также обязывает минимизировать все побочные воздействия, как механические, так и температурные. Недавно, правда, появились и первые измерения гравитационной постоянной другими, атомно-интерферометрическими методами , которые используют квантовую природу вещества. Однако точность этих измерений пока сильно уступает механическим установкам, хотя, возможно, за ними будущее (см. подробности в новости Гравитационная постоянная измерена новыми методами , «Элементы», 22.01.2007).
Так или иначе, но, несмотря на более чем двухсотлетнюю историю, точность измерений остается очень скромной. Нынешнее «официальное» значение, рекомендованное американским Национальным институтом стандартизации (NIST), составляет (6,67384 ± 0,00080)·10 –11 м 3 ·кг –1 ·с –2 . Относительная погрешность тут составляет 0,012%, или 1,2·10 –4 , или, в еще более привычных для физиков обозначениях, 120 ppm (миллионных долей), и это на несколько порядков хуже, чем точность измерения других столь же важных величин. Более того, вот уже несколько десятилетий измерение гравитационной постоянной не перестает быть источником головной боли для физиков-экспериментаторов. Несмотря на десятки проведенных экспериментов и усовершенствование самой измерительной техники, точность измерения так и осталась невысокой. Относительная погрешность на уровне 10 –4 была достигнута еще 30 лет назад, и никакого улучшения с тех пор нет.
Ситуация по состоянию на 2010 год
В последние несколько лет ситуация стала еще более драматичной. В 2008–2010 годах три группы обнародовали новые результаты измерения G. Над каждым из них команда экспериментаторов работала годами, причем не только непосредственно измеряла величину G, но и тщательно искала и перепроверяла всевозможные источники погрешностей. Каждое из этих трех измерений обладало высокой точностью: погрешности составляли 20–30 ppm. По идее, эти три измерения должны были существенно улучшить наше знание численной величины G. Беда лишь в том, что все они отличались друг от друга аж на 200–400 ppm, то есть на целый десяток заявленных погрешностей! Эта ситуация по состоянию на 2010 год показана на рис. 3 и кратко описана в заметке Неловкая ситуация с гравитационной постоянной .
Совершенно ясно, что сама гравитационная постоянная тут не виновата; она действительно обязана быть одной и той же всегда и везде. Например, есть спутниковые данные, которые хоть и не позволяют хорошо измерить численное значение константы G, зато позволяют убедиться в ее неизменности - если бы G изменилась за год хоть на одну триллионную долю (то есть на 10 –12), это уже было бы заметно. Поэтому единственный вытекающий отсюда вывод таков: в каком-то (или в каких-то) из этих трех экспериментов есть неучтенные источники погрешностей. Но вот в каком?
Единственный способ попытаться разобраться, это повторять измерения на других установках, и желательно разными методами. К сожалению, особенного разнообразия методик здесь пока достичь не удается, поскольку во всех экспериментах используется то или иное механическое устройство. Но всё же разные реализации могут обладать разными инструментальными погрешностями, и сравнение их результатов позволит разобраться в ситуации.
Новое измерение
На днях в журнале Physical Review Letters было опубликовано одно такое измерение. Небольшая группа исследователей, работающих в Международном бюро мер и весов в Париже, с нуля построила аппарат, который позволил измерить гравитационную постоянную двумя разными способами. Он представляет из себя те же крутильные весы, только не с двумя, а с четырьмя одинаковыми цилиндрами, установленными на диске, подвешенном на металлической нити (внутренняя часть установки на рис. 1). Эти четыре груза гравитационно взаимодействуют с четырьмя другими, более крупными цилиндрами, насаженными на карусель, которую можно повернуть на произвольный угол. Схема с четырьмя телами вместо двух позволяет минимизировать гравитационное взаимодействие с несимметрично расположенными предметами (например, стенками лабораторной комнаты) и сфокусироваться именно на гравитационных силах внутри установки. Сама нить имеет не круглое, а прямоугольное сечение; это, скорее, не нить, а тонкая и узкая металлическая полоска. Такой выбор позволяет ровнее передавать нагрузку по ней и минимизировать зависимость от упругих свойств вещества. Весь аппарат находится в вакууме и при определенном температурном режиме, который выдерживается с точностью до сотой доли градуса.
Это устройство позволяет выполнять три типа измерения гравитационной постоянной (см. подробности в самой статье и на страничке исследовательской группы). Во-первых, это буквальное воспроизведение опыта Кавендиша: поднесли груз, весы повернулись на некоторый угол, и этот угол измеряется оптической системой. Во-вторых, его можно запустить в режиме крутильного маятника, когда внутренняя установка периодически вращается туда-сюда, а наличие дополнительных массивных тел изменяет период колебаний (этот способ, впрочем, исследователи не использовали). Наконец, их установка позволяет выполнять измерение гравитационной силы без поворота грузиков. Это достигается с помощью электростатического сервоконтроля: к взаимодействующим телам подводятся электрические заряды так, чтобы электростатическое отталкивание полностью компенсировало гравитационное притяжение. Такой подход позволяет избавиться от инструментальных погрешностей, связанных именно с механикой поворота. Измерения показали, что два метода, классический и электростатический, дают согласующиеся результаты.
Результат нового измерения показан красной точкой на рис. 4. Видно, что это измерение не только не разрешило наболевший вопрос, но и еще сильнее усугубило проблему: оно сильно отличается от всех остальных недавних измерений. Итак, к настоящему моменту у нас имеется уже четыре (или пять, если считать неопубликованные данные калифорнийской группы) разных и при том довольно точных измерения, и все они кардинально расходятся друг с другом! Разница между двумя самыми крайними (и хронологически - самыми последними) значениями уже превышает 20(!) заявленных погрешностей .
Что касается нового эксперимента, тут надо добавить вот что. Эта группа исследователей уже выполняла аналогичный эксперимент в 2001 году. И тогда у них тоже получалось значение, близкое к нынешнему, но только чуть менее точное (см. рис. 4). Их можно было бы заподозрить в простом повторении измерений на одном и том же железе, если бы не одно «но» - тогда это была другая установка. От той старой установки они сейчас взяли только 11-килограммовые внешние цилиндры, но весь центральный прибор был сейчас построен заново. Если бы у них действительно был какой-то неучтенный эффект, связанный именно с материалами или изготовлением аппарата, то он вполне мог измениться и «утащить за собой» новый результат. Но результат остался примерно на том же месте, что и в 2001 году. Авторы работы видят в этом лишнее доказательство чистоты и достоверности их измерения.
Ситуация, когда сразу четыре или пять результатов, полученных разными группами, все различаются на десяток-другой заявленных погрешностей, по-видимому, для физики беспрецедентна. Какой бы высокой ни была точность каждого измерения и как бы авторы ею ни гордились, для установления истины она сейчас не имеет никакого значения. И пока что пытаться на их основании узнать истинное значение гравитационной постоянной можно только одним способом: поставить значение где-то посередине и приписать погрешность, которая будет охватывать весь этот интервал (то есть раза в полтора-два ухудшить нынешнюю рекомендованную погрешность). Можно лишь надеяться, что следующие измерения будут попадать в этот интервал и постепенно будут давать предпочтение какому-то одному значению.
Так или иначе, но гравитационная постоянная продолжает оставаться головоломкой измерительной физики. Через сколько лет (или десятилетий) эта ситуация действительно начнет улучшаться, сейчас предсказать трудно.
